xaut 第7章 MCS-51的串行口

單片機原理及應用主講：梁德勝聯(lián)系方式：dsliang@辦公地點：教五樓408室

2/4/20231第2章2.7MCS-51的串行口

1計算機串行通信基礎(chǔ)28051的串行口3

單片機串行口應用舉例2/4/202321計算機串行通信基礎(chǔ)

隨著多微機系統(tǒng)的廣泛應用和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，計算機的通信功能愈來愈顯得重要。計算機通信是指計算機與外部設(shè)備或計算機與計算機之間的信息交換。通信有并行通信和串行通信兩種方式。在多微機系統(tǒng)以及現(xiàn)代測控系統(tǒng)中信息的交換多采用串行通信方式。2/4/20233并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時進行傳送。并行通信特點：控制簡單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長距離傳送時成本高且接收方的各位同時接收存在困難。

2/4/20234串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送。串行通信的特點：傳輸線少，長距離傳送時成本低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復雜。

2/4/202351.1串行通信的基本概念

一、異步通信與同步通信1、異步通信異步通信是指通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。為使雙方的收發(fā)協(xié)調(diào)，要求發(fā)送和接收設(shè)備的時鐘盡可能一致。

2/4/20236

異步通信是以字符（構(gòu)成的幀）為單位進行傳輸，字符與字符之間的間隙（時間間隔）是任意的，但每個字符中的各位是以固定的時間傳送的，即字符之間是異步的（字符之間不一定有“位間隔”的整數(shù)倍的關(guān)系），但同一字符內(nèi)的各位是同步的（各位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍）。為了實現(xiàn)一步傳輸字符的同步，采用的辦法是使傳送的每一個字符都以起始位“0”開始，以停止位“1”結(jié)束。如此，傳送的每一個字符都以起始位來進行收發(fā)雙方的同步。停止位和間隙作為時鐘頻率偏差的緩沖，即使雙方時鐘頻率略有偏差，總的數(shù)據(jù)流也不會因為偏差的積累而導致數(shù)據(jù)錯位。2/4/20237異步通信的數(shù)據(jù)格式：異步通信的特點：不要求收發(fā)雙方時鐘的嚴格一致，實現(xiàn)容易，設(shè)備開銷較小，但每個字符要附加2～3位用于起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。2/4/202382、同步通信同步通信時要建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關(guān)系，也保持字符同步關(guān)系。2/4/20239二、串行通信的傳輸方向1、單工單工是指數(shù)據(jù)傳輸僅能沿一個方向，不能實現(xiàn)反向傳輸。2、半雙工半雙工是指數(shù)據(jù)傳輸可以沿兩個方向，但需要分時進行。3、全雙工全雙工是指數(shù)據(jù)可以同時進行雙向傳輸。

單工半雙工全雙工2/4/202310三、信號的調(diào)制與解調(diào)

利用調(diào)制器（Modulator）把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后送到通信線路上去，再由解調(diào)器（Demodulator）把從通信線路上收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由于通信是雙向的，調(diào)制器和解調(diào)器合并在一個裝置中，這就是調(diào)制解調(diào)器MODEM。DTE：計算機終端設(shè)備；DCE：數(shù)據(jù)通訊設(shè)備2/4/202311四、串行通信的錯誤校驗：奇偶校驗在發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)位尾隨的1位為奇偶校驗位（1或0）。奇校驗時，數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應為奇數(shù)；偶校驗時，數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應為偶數(shù)。接收字符時，對“1”的個數(shù)進行校驗，若發(fā)現(xiàn)不一致，則說明傳輸數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)了差錯。2/4/202312五、傳輸速率：波特率

波特率:是串口每秒傳輸二進制代碼的位數(shù)，單位是：位／秒（bps）。如每秒鐘傳送240個字符，而每個字符格式包含10位(1個起始位、1個停止位、8個數(shù)據(jù)位)，這時的比特率為：

10位×240個/秒=2400bps2/4/2023137.1.2串行通信接口標準

一、RS-232C接口RS-232C是EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）1969年修訂RS-232C標準。RS-232C定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的物理接口標準。1、機械特性RS-232C接口規(guī)定使用25針連接器，連接器的尺寸及每個插針的排列位置都有明確的定義。（陽頭）2/4/2023142、功能特性：2/4/2023153電氣特性

EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V

邏輯0(SPACE)=+3～＋15在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V～-15V

2/4/202316以上規(guī)定說明了RS-323C標準對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平高于+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于-3V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平在±(3～15)V之間。2/4/2023174、過程特性過程特性規(guī)定了信號之間的時序關(guān)系，以便正確地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。使用MODEM的遠程通信2/4/202318PC與外設(shè)的RS-232直接連接最簡單的RS-232數(shù)據(jù)通訊連接2/4/2023195、RS-232C電平與TTL電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路2/4/2023202/4/2023216、采用RS-232C接口存在的問題（1）傳輸距離短，傳輸速率低

RS-232C總線標準受電容允許值的約束，使用時傳輸距離一般不要超過15米（線路條件好時也不超過幾十米）。最高傳送速率為20Kbps。（2）有電平偏移

RS-232C總線標準要求收發(fā)雙方共地。通信距離較大時，收發(fā)雙方的地電位差別較大，在信號地上將有比較大的地電流并產(chǎn)生壓降。（3）抗干擾能力差

RS-232C在電平轉(zhuǎn)換時采用單端輸入輸出，在傳輸過程中當干擾和噪聲混在正常的信號中。為了提高信噪比，RS-232C總線標準不得不采用比較大的電壓擺幅。2/4/202322二、RS-422A接口

2/4/202323RS-422A標準接口總線采用雙端電氣接口形式，通過傳輸線驅(qū)動器，把邏輯電平變換為電位差，完成發(fā)送端的數(shù)據(jù)傳送；在終端通過傳輸線接收器，把電位差轉(zhuǎn)換為邏輯電平，完成信息接收。RS-422A每個通道需要用2條信號線，如果其中一條線為邏輯“1”狀態(tài)，另一條線就為邏輯“0”。差分電路能從地線干擾中拾取有效信號，差分接收器可以分辨200mV以上電位差。差分放大器可使干擾和噪聲相互抵消?？梢员苊饣虼蟠鬁p弱地線干擾和電磁干擾的影響。RS-422A傳輸距離為120米時，傳輸速率可達10Mbps。降低速率傳輸時（90Kbps）時，傳輸距離可達1200米。

2/4/202324三、RS-485接口

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RS-485是RS-422A的變型：RS-422A用于全雙工，而RS-485則用于半雙工。RS-485是一種多發(fā)送器標準，容許雙導線上一個發(fā)送器驅(qū)動32個負載設(shè)備。

RS-485的信號傳輸采用兩線間的電壓來表示邏輯1和邏輯0。由于發(fā)送方需要兩根傳輸線，接收方也需要兩根傳輸線。傳輸線采用差動信道，所以它的干擾抑制性極好，又因為它的阻抗低，無接地問題，所以傳輸距離可達1200米，傳輸速率可達1Mbps。2/4/202326

RS-485是一點對多點的通信接口，一般采用雙絞線的結(jié)構(gòu)。普通的PC機一般不帶RS485接口，因此要使用RS-232C/RS-485轉(zhuǎn)換器。對于單片機可以通過芯片MAX485來完成TTL/RS-485的電平轉(zhuǎn)換。在計算機和單片機組成的RS-485通信系統(tǒng)中，下位機由單片機系統(tǒng)組成，主要完成工業(yè)現(xiàn)場信號的采集和控制，上位機為普通的PC機，負責監(jiān)視下位機的運行狀態(tài)，并對其狀態(tài)信息進行集中處理，以圖文方式顯示下位機的工作狀態(tài)以及工業(yè)現(xiàn)場被控設(shè)備的工作狀況。系統(tǒng)中各節(jié)點（包括上位機）的識別是通過設(shè)置不同的站地址來實現(xiàn)的。2/4/2023277.28051的串行口

有兩個物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，它們占用同一地址99H；接收器是雙緩沖結(jié)構(gòu)；發(fā)送緩沖器，因為發(fā)送時CPU是主動的，不會產(chǎn)生重疊錯誤。

7.2.18051串行口的結(jié)構(gòu)

2/4/202328SCON是一個特殊功能寄存器，用以設(shè)定串行口的工作方式、接收/發(fā)送控制以及設(shè)置狀態(tài)標志：

7.2.28051串行口的控制寄存器

2/4/202329SM0和SM1為工作方式選擇位，可選擇四種工作方式：

2/4/202330●SM2，多機通信控制位，主要用于方式2和方式3。方式2和方式3中，如果SM2置為1，且接收到的第九位RB8為0時不激活RI。在方式0時，SM2必須是0。在方式1時，若SM2=1，則只有接收到有效停止位時，RI才置1?！馬EN，允許串行接收位。由軟件置REN=1，則啟動串行口接收數(shù)據(jù)；若軟件置REN=0，則禁止接收?！馮B8，在方式2或方式3中，是發(fā)送數(shù)據(jù)的第九位。

可以用軟件規(guī)定其作用?？梢杂米鲾?shù)據(jù)的奇偶校驗位，或在多機通信中，作為地址幀/數(shù)據(jù)幀的標志位。2/4/202331●RB8，在方式2或方式3中，接收到數(shù)據(jù)的第九位。作為奇偶校驗位或地址幀/數(shù)據(jù)幀的標志位。在方式1中，若SM2=0，則RB8是接收到的停止位。在方式0中，不使用RB8。●TI，發(fā)送中斷標志位。在方式0時，當串行發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)時由硬件置位。在其它方式中，當發(fā)送停止位的開始時由硬件置位，向CPU發(fā)中斷申請。在中斷服務程序中，必須用軟件將其清0，取消此中斷申請?！馬I，接收中斷標志位。在方式0時，當串行接收第8位數(shù)據(jù)結(jié)束時由硬件置位。在其它方式中，在接收到停止位的中間時刻由硬件置位，向CPU發(fā)中斷申請，取走數(shù)據(jù)。必須在中斷服務程序中，用軟件將其清0，取消此中斷申請。2/4/202332PCON中只有一位SMOD與串行口工作有關(guān)

：

SMOD（PCON.7）波特率倍增位。在串行口方式1、方式2、方式3時，波特率與SMOD有關(guān)，當SMOD=1時，波特率提高一倍。復位時，SMOD=0。2/4/202333

7.2.38051串行口的工作方式

一、方式0

方式0時，串行口為同步移位寄存器的輸入輸出方式。主要用于擴展并行輸入或輸出口。數(shù)據(jù)由RXD（P3.0）引腳輸入或輸出，同步移位脈沖由TXD（P3.1）引腳輸出。發(fā)送和接收均為8位數(shù)據(jù)，低位在先，高位在后。波特率固定為fosc/12。

1、方式0輸出2/4/202334

2、方式0輸入2/4/202335

方式0接收和發(fā)送電路2/4/202336

二、方式1

方式1是10位數(shù)據(jù)的異步通信口。TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD為數(shù)據(jù)接收引腳，傳送一幀數(shù)據(jù)的格式如圖所示。其中1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

2/4/202337

（1）方式1輸出2/4/202338

（2）方式1輸入2/4/202339用軟件置REN為1，當檢測到RXD引腳上由1到0的跳變時開始接收過程，并復位內(nèi)部16分頻計數(shù)器，以實現(xiàn)同步。計數(shù)器除以16個狀態(tài)把一位時間等分為16份，并在計數(shù)器的第7、8、9個計數(shù)狀態(tài)時采樣RXD引腳電平，每位數(shù)值采樣3次，當3個值中至少有2個值相同時，這2個相同值才被確認接收，可以排除噪聲干擾。2/4/202340檢測到RXD引腳輸入電平發(fā)生負跳變時，則說明起始位有效，將其移入輸入移位寄存器，并開始接收這一幀信息的其余位。接收過程中，數(shù)據(jù)從輸入移位寄存器右邊移入，起始位移至輸入移位寄存器最左邊時，控制電路進行最后一次移位。當RI=0，且SM2=0（或接收到的停止位為1）時，將接收到的9位數(shù)據(jù)的前8位數(shù)據(jù)裝入接收SBUF，第9位（停止位）進入RB8，并置RI=1，向CPU請求中斷。2/4/202341

三、方式2和方式3

方式2或方式3時為11位數(shù)據(jù)的異步通信口。TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD為數(shù)據(jù)接收引腳。2/4/202342方式2和方式3時起始位1位，數(shù)據(jù)9位（含1位附加的第9位，發(fā)送時為SCON中的TB8，接收時為RB8），停止位1位，一幀數(shù)據(jù)為11位。方式2的波特率固定為晶振頻率的1/64或1/32，方式3的波特率由定時器T1的溢出率決定。

2/4/202343

（1）方式2和方式3輸出2/4/202344由“寫入SBUF信號”把8位數(shù)據(jù)寫入SBUF，同時把TB8裝到發(fā)送移位寄存器的第9位上，并通知控制器開始發(fā)送。發(fā)送開始時，先把起始位0輸出到TXD引腳，然后發(fā)送移位寄存器的輸出位（D0）到TXD引腳。每一個移位脈沖都使輸出移位寄存器的各位右移一位，并由TXD引腳輸出。第一次移位時，停止位“1”移入輸出移位寄存器的第9位上，以后每次移位，左邊都移入0。當停止位移至輸出位時，左邊其余位全為0，檢測電路檢測到這一條件時，使控制電路進行最后一次移位，并置TI=1，向CPU請求中斷。2/4/202345

（2）方式2和方式3輸入2/4/202346接收過程由檢測到RXD引腳的負跳變開始。當檢測到負跳變時，16分頻計數(shù)器立即復位，同時把1FFH寫入輸入移位寄存器。計數(shù)器的16個狀態(tài)把一位時間等分為16份，并在計數(shù)器的第7、8、9個計數(shù)狀態(tài)時采樣RXD引腳電平。如果起始位有效，則將其移入輸入移位寄存器，并開始接收這一幀信息的其余位。接收時，數(shù)據(jù)從右邊移入輸入移位寄存器。在起始位0移到最左邊時，控制電路進行最后一次移位。當滿足（1）當RI=0，且SM2=0；（2）接收到的第9位數(shù)據(jù)為1時，將接收到的9位數(shù)據(jù)的前8位數(shù)據(jù)裝入接收SBUF，第9位進入RB8，并置RI=1，向CPU請求中斷。2/4/202347四、波特率的計算在串行通信中，收發(fā)雙方對發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的速率要有約定。通過軟件可對單片機串行口編程為四種工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可變的，由定時器T1的溢出率來決定。串行口的四種工作方式對應三種波特率。由于輸入的移位時鐘的來源不同，所以，各種方式的波特率計算公式也不相同。2/4/2023481、方式0時，發(fā)送和接收的波特率是固定的，波特率等于振蕩頻率的1/12.

方式0的波特率=fosc/122、方式2時，發(fā)送和接收的波特率也是固定的，但是與PCON中的SMOD位有關(guān)：

方式2的波特率=（2SMOD/64）·fosc

2/4/2023493、方式1和方式3的波特率是可變的。其與定時器的溢出率和SMOD位有關(guān)。

方式1和方式3的波特率＝T1的溢出率/n

當SMOD=0時，n=32；當SMOD=1時，n=16；因此：

方式1和方式3的波特率=（2SMOD/32）·（T1溢出率）

T1的溢出率指T1每秒溢出的次數(shù)，取決于T1的計數(shù)速率和T1的預置初值。2/4/202350

當T1作為波特率發(fā)生器時，為了避免引起不必要的中斷，最典型的用法是使T1工作在自動再裝入的8位定時器方式即方式2，此時，計數(shù)速率為fosc/12。T1溢出率取決于TH1中的計數(shù)值。

T1溢出率=fosc/(12×(256－(TH1)))

方式1和方式3的波特率

=(2SMOD/32)·(T1溢出率)=(2SMOD/32)·(fosc/(12×(256－(TH1))))=(fosc·2SMOD)/(384×(256－TH1))

反過來，T1的初值計算公式為：

(TH1)＝256－((fosc·2SMOD)/(384x波特率))2/4/202351在單片機的應用中，常用的晶振頻率為：12MHz和11.0592MHz。所以，選用的波特率也相對固定。常用的串行口波特率以及各參數(shù)的關(guān)系如表所示。2/4/202352具體步驟如下：確定T1的工作方式（編程TMOD寄存器）；計算T1的初值，裝載TH1、TL1；啟動T1（編程TCON中的TR1位）；確定串行口控制（編程SCON寄存器）；串行口在中斷方式工作時，要進行中斷設(shè)置（編程IE、IP寄存器）。使用串行口之前，應對其進行初始化，主要是設(shè)置產(chǎn)生波特率的定時器1、串行口控制和中斷控制。2/4/202353【例】將內(nèi)部RAM50H～5FH中的數(shù)據(jù)從串口輸出，串行接口以方式2工作，TB8作奇偶校驗位。數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器之前要將數(shù)據(jù)的奇偶位寫入TB8(利用查詢方式和中斷方式分別實現(xiàn))。2/4/202354查詢方式程序如下：

LOOP0:MOVSCON,#80H；方式2MOVPCON,#80H；波特率倍增

MOVR0,#50HMOVR7,#10HLOOP1:MOVA,@R0MOVC,PMOVTB8,CMOVSBUF,AWAIT:JBCTI,LOOP2SJMPWAIT；等待發(fā)送完成

LOOP2:INCR0DJNZR7,LOOP1RET2/4/202355

ORG0000HLJMPMAINORG0023HLJMPSERIALINTORG0100HMAIN:MOVSCON,#80H；方式2MOVPCON,#80H；波特率倍增

MOVR0,#50HMOVR7,#10H

SETBESSETBEAMOVA,@R0MOVC,P中斷方式程序如下：2/4/202356MOVTB8,CMOVSBUF,ASJMP$SERIALINT:CLRTIDJNZR7,LOOP1CLRESSJMPENDTTLOOP1:INCR0MOVA,@R0MOVC,PMOVTB8,CMOVSBUF,AENDTT:RETI2/4/202357【例】以RB8作奇偶校驗位的接收程序,連續(xù)接受16個數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部Rom50H開始的連續(xù)16個單元。設(shè)串行接口以方式3工作。MCS-51和外設(shè)